什么是直線滑臺(tái)？直線滑臺(tái)有什么作用？

學(xué)過《機(jī)械設(shè)計(jì)》的朋友們都會(huì)知道，在設(shè)計(jì)之前，要明確設(shè)計(jì)的目的，為了什么而設(shè)計(jì)，要達(dá)到什么效果。各位新手朋友們看到我給的這個(gè)“看似復(fù)雜”的題目，肯定會(huì)問，為什么要選這個(gè)做題目？直線滑臺(tái)有什么用？

直線滑臺(tái)用處可大了呢。
先看單個(gè)直線滑臺(tái)的情況：其實(shí)各種各樣的直線運(yùn)動(dòng)，能夠承載物體，起到傳力、傳動(dòng)作用的，都可以認(rèn)為是廣義的直線滑臺(tái)：
電動(dòng)扶梯，

回轉(zhuǎn)壽司，

生產(chǎn)線，

高端一點(diǎn)的：原子力顯微鏡，探針和原子表面的距離要求很嚴(yán)格，所以需要非常精密的直線滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)探針的上下運(yùn)動(dòng)，

單個(gè)直線滑臺(tái)只有一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，因此功能有限。如果我們把直線滑臺(tái)當(dāng)成一個(gè)坐標(biāo)軸，那組合兩個(gè)、三個(gè)坐標(biāo)軸，組成的空間就成為了坐標(biāo)系，也就可以有更大范圍的運(yùn)動(dòng)，比如這樣，

大家可以看到，底下有兩個(gè)滑臺(tái)做支撐，但從運(yùn)動(dòng)關(guān)系的角度，兩個(gè)滑臺(tái)和一個(gè)滑臺(tái)是一樣的，這兩個(gè)滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是同步、不獨(dú)立的。而上面這一個(gè)滑臺(tái)的滑塊運(yùn)動(dòng)與下面的滑臺(tái)之間沒有關(guān)系，因而上下兩個(gè)滑臺(tái)是獨(dú)立的（專業(yè)點(diǎn)叫做：線性無關(guān)）。兩個(gè)滑臺(tái)用兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)就可以讓滑塊在XY平面任意走，我們說這個(gè)滑塊有兩個(gè)自由度。

如果把三個(gè)滑臺(tái)放在同一個(gè)面里面呢？（想想，有沒有人這樣做？）一個(gè)面里的三個(gè)向量一定線性相關(guān)，因此同樣只能實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)，多浪費(fèi)了一套滑臺(tái)，這就是最簡單的線性代數(shù)原理在機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用。

兩軸滑臺(tái)可以比單軸滑臺(tái)多做許多的事情了，

比如激光切割

現(xiàn)在的激光切割技術(shù)可以切鋁板、鋼板等金屬板材，亞克力、木板、皮革、紙張等非金屬材料。大家淘寶上常見的各種木板拼裝模型就是激光切割做的，激光切割效率高，省時(shí)省力，

寫字機(jī)器人，需要的運(yùn)動(dòng)也是兩軸的運(yùn)動(dòng)（抬筆先不考慮），因此也是用兩軸滑臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)的，

工業(yè)上，最傳統(tǒng)的數(shù)控車床就是典型的兩軸運(yùn)動(dòng)，

給大家找了個(gè)視頻感受一下數(shù)控加工的魅力。如果看不過癮，可以在任何一個(gè)視頻網(wǎng)站搜索：數(shù)控車床。

如果有人好奇這個(gè)車床為什么聲音忽高忽低，這個(gè)高大上的功能叫恒線速度加工，用來保證加工表面質(zhì)量，具體可以自己百度/知乎相關(guān)資料。

再增加一個(gè)軸，三軸運(yùn)動(dòng)，可以做的事情就很多很多了，

比如3D打印，

數(shù)控加工中心，

可以說，幾乎所有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，都是從最基本的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)衍生出來的。所以大家才會(huì)把直線滑臺(tái)當(dāng)成基本的機(jī)械系統(tǒng)模塊，做好拿出來賣。因?yàn)閼?yīng)用實(shí)在是太多太多了。

當(dāng)然，我們要說學(xué)習(xí)的話，就不要買現(xiàn)有的產(chǎn)品了（以后如果做大設(shè)備，這種小模塊還是買比較方便）。我們先看看怎樣能做出這樣一套滑臺(tái)。

對(duì)于這樣的一套系統(tǒng)，我們把它分成三部分：

機(jī)架（不動(dòng)的部分，用來固定上方其他功能的零部件）

支撐系統(tǒng)（用來對(duì)直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向、支撐、承受載荷）

傳動(dòng)系統(tǒng)（用來傳遞動(dòng)力，使滑塊在控制下運(yùn)動(dòng)）

一般來說，支撐系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)精密度要求是比較高的，所以也是通用性好、結(jié)構(gòu)簡單的部分，我們先從這兩部分來看：

第一部分：支撐系統(tǒng)

支撐系統(tǒng)要能夠支撐直線滑臺(tái)的滑塊進(jìn)行順滑的運(yùn)動(dòng)，并且要能夠承受滑塊上面的負(fù)載對(duì)機(jī)架所施加的各個(gè)方向的力和力矩。因?yàn)橐筮\(yùn)動(dòng)相當(dāng)順滑，所以對(duì)零部件的精度和表面粗糙度要求都相當(dāng)高，一般都是專門的廠家負(fù)責(zé)生產(chǎn)。

這套滑臺(tái)使用的支撐系統(tǒng)，包括兩條直徑為8的光軸（我們的長度單位不標(biāo)都默認(rèn)為mm）

賣光軸的店是包切割的，所以買的時(shí)候，和商家說，要多少直徑、多少長度的光軸，多少支，商家就會(huì)去幫忙切好。如果有公差要求（比如說長度精度要在多少以內(nèi)，正的公差還是負(fù)的公差），要和商家說清楚。

光軸是固定在機(jī)架上的不動(dòng)部分。跟隨滑塊運(yùn)動(dòng)的部分，是能夠在光軸上順滑運(yùn)動(dòng)的部件，這個(gè)部件叫做直線軸承。直線軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，某寶商家處可以直接買到。我們這里用到的四個(gè)直線軸承型號(hào)為LMK8UU，直接在某寶敲LMK8UU就可以搜到，買到。

軸和直線軸承是配合著安裝的，型號(hào)中的8代表的是直線軸承內(nèi)孔為8mm，要和光軸配對(duì)。所以如果負(fù)載更重，要用12、16、20等更大直徑的光軸，那對(duì)應(yīng)也要用LMK12UU、LMK16UU、LMK20UU的直線軸承。

直線軸承還有非法蘭的、加長的、圓法蘭、切邊圓法蘭、開口、箱式等各種各樣的類型。我這兒是肯定講不完的，大家可以找到一家賣直線軸承的店，進(jìn)店后看“所有寶貝”，就能學(xué)習(xí)到各種各樣的軸承型號(hào)：

這個(gè)軸承要安裝在滑塊上，我們畫裝配圖、定板材的打孔，肯定要知道直線軸承的外形尺寸、孔位尺寸。這些尺寸都是公開的，可以直接在直線軸承的淘寶鏈接里面查到：

我們根據(jù)這些尺寸就可以畫出直線軸承的零件圖。

第二部分：傳動(dòng)系統(tǒng)

這里的傳動(dòng)系統(tǒng)用到的原理是絲桿傳動(dòng)（一些機(jī)械設(shè)計(jì)書稱為螺桿傳動(dòng)）。大家平時(shí)用的多的是把螺栓擰到螺母中，這時(shí)螺栓是既有旋轉(zhuǎn)，又有直線運(yùn)動(dòng)。如果我們換個(gè)坐標(biāo)系看，就是螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母直線運(yùn)動(dòng)。所以用電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，螺母就可以做直線運(yùn)動(dòng)，這就是絲桿傳動(dòng)的原理，

這里用到的絲桿型號(hào)為T8絲桿，表示絲桿牙型為梯形，絲桿外徑為8mm。T8絲桿的導(dǎo)程（即絲桿旋轉(zhuǎn)一圈螺母移動(dòng)的距離）一般有2、4、8三種型號(hào)，買的時(shí)候注意絲桿和絲桿螺母的參數(shù)要一致，

這里使用的長度為300mm，如果想要一些冗余，可以使用320mm，不過只要比300長就可以了。

絲桿螺母的尺寸也可以在寶貝詳情中查找，

絲桿的左邊采用了一個(gè)軸承支撐，這個(gè)軸承當(dāng)然內(nèi)徑要是8mm，這里我用的是F698ZZ法蘭軸承，

只要是內(nèi)徑8的軸承就可以了，具體的其他問題我們后面再說，這里知道需要個(gè)軸承就行。尺寸同樣可以在寶貝詳情查到，

右側(cè)，絲桿的軸和電機(jī)的軸需要同步運(yùn)動(dòng)，所以需要一個(gè)零件把兩個(gè)軸咬合在一起，這個(gè)零件叫做聯(lián)軸器。聯(lián)軸器是標(biāo)準(zhǔn)件，可以直接買。因?yàn)槁?lián)軸器連接兩根軸，所以兩頭的孔位一定要和軸能夠配合，這里用的聯(lián)軸器一頭是5mm（電機(jī)軸），一頭是8mm（T8絲桿）。由于安裝的時(shí)候可能因?yàn)檠b配或者制造的誤差導(dǎo)致不同軸，所以聯(lián)軸器一個(gè)很重要的功能就是吸收一定的誤差，所以會(huì)看到各種各樣的設(shè)計(jì)，

沒有吸收誤差功能的聯(lián)軸器叫做剛性聯(lián)軸器，有吸收誤差功能的有彈性聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器等。這里我們買最便宜的繞線聯(lián)軸器就行，當(dāng)然有條件也可以買個(gè)梅花聯(lián)軸器。聯(lián)軸器也是一大類標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零件，所以也一樣找?guī)准衣?lián)軸器的店鋪去看所有寶貝就可以了。

最后，我們這個(gè)直線滑臺(tái)需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，我們采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這種電機(jī)工作原理和大家中學(xué)學(xué)的直流電機(jī)完全不同，大家先不用在意。之所以使用步進(jìn)電機(jī)，是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)可以比較容易的控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而使滑塊定位在任何一個(gè)想要的位置。而普通的直流電機(jī)，只能做到通電轉(zhuǎn)起來，停電慢慢停下，無法精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度，所以這里不使用。

步進(jìn)電機(jī)有各種大小、長度尺寸。我們這個(gè)直線滑臺(tái)采用的電機(jī)為42步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的方形外形對(duì)邊距離為42mm。42步進(jìn)電機(jī)長度有28、34、40、48、60幾個(gè)尺寸，越長的電機(jī)輸出力矩越大，常規(guī)的我們用42-40或者42-48步進(jìn)電機(jī)就可以了。


審核編輯：劉清